为了对目标的多波段辐射特性进行测量，设计了一套300～1 000 nm三波段光学成像系统.该系统共用同一入射窗口，采用两个直角棱镜进行分光，每个波段使用独立的光学成像镜头，能同时得到目标的紫外、可见光和近红外图像.利用LightTools软件对此系统的鬼像进行模拟分析，发现棱镜表面和窗口玻璃之间的光束多次反射之后，经过光学成像镜头聚焦到探测器靶面上，形成了目标的多重鬼像，大大降低了图像的对比度.实验结果表明：采用本文所述方案，三波段成像系统能达到较好的像质；将窗口玻璃和第一个棱镜的角度控制在7″之内可以消除鬼像，对使用棱镜作为分光元件的多波段光学成像系统的设计和研制具有一定的参考意义.

提出了基于数字微镜器件(DMD)的双曝光头总体结构, 该结构可同时刻划母尺的周期和非周期两个光栅码道。单曝光头包含曝光光源、调焦光源、DMD和投影镜头四部分, 曝光光源由激光器、准直镜组、二维微透镜阵列和场镜组成。本文利用光学软件TracePro设计该光源, 实现了能量的平顶分布, 在14 mm×10 mm的照明面上均匀性达到95%以上。利用光学软件Zemax设计了工作在双波段(曝光光源0.403~0.407 μm和调焦光源0.525~0.535 μm)的共焦投影镜头, 采用了二向色镜和分光棱镜使其能在曝光的同时进行实时调焦, 优化后的系统在曝光波段和调焦波段均达到衍射极限, 最大畸变为0.009%。与传统的光栅尺刻划技术对比, 设计的曝光系统具有工艺简单、制作速度快、精度高等优势, 可用于长、超长计量光栅的制作。

为了了解太阳跟踪器的具体性能，提高设计效率，采用ADAMS和Simulink软件对太阳跟踪器的工作过程进行了虚拟仿真分析。首先利用ADAMS软件建立了系统的动力学模型；利用Simulink软件建立了基于速度闭环的双轴控制系统。然后搭建了机-电联合仿真模型，并进行了仿真研究。分析了太阳跟踪器双轴控制系统的基本性能，确定了太阳跟踪器的目标输入曲线，完成了联合仿真计算。联合仿真结果表明：系统对太阳高度角输入曲线具有较好的跟踪能力，开始跟踪1.5 s后系统跟踪非常稳定，跟踪误差小于目标幅值0.1%。得到的结果表明:所建的动力学模型和控制系统模型能够准确地描述跟踪器的工作过程，提高设计效率，可为实际物理样机的开发提供可靠依据。

为了对地面目标的辐亮度系数进行测量，研制了一套包含紫外、可见光和近红外三个波段的光学成像系统，用积分球对其辐亮度响应进行标定，得到辐亮度与图像灰度值和探测器积分时间的拟合方程。提出了一种地面目标辐亮度系数测量方法，采用两块不同辐亮度系数的漫反射板作为参照物，建立辐亮度方程组，最终求解得到的目标辐亮度系数表达式中将不含气象参数项。利用研制的三波段光学成像系统，对绿草地的辐亮度系数进行测量，使用辐亮度系数分别为0.99、0.50、0.20、0.10的四块漫反射板，测得草地的紫外、可见光和近红外波段的辐亮度系数分别为0.070、0.184和0.429。

红外连续变焦光学系统具有很多优势，介绍了一种可以实现高变焦比的设计方法.据此设计了一个系统，其由八片透镜组成，工作波段为3.7~4.8μm,可实现10~450mm连续变焦.系统在全焦距范围内奈奎斯特频率处的MTF值均大于0.3，系统F数为4，且满足冷光阑效率100%的要求.

为了对电晕放电进行全天候的检测，设计了一套包含日盲紫外、可见光和长波红外的三波段电晕检测光学系统。为了减小系统体积，提高系统性能，日盲紫外和可见光波段采用共光路结构；长波红外段采用独立光路，利用衍射面特殊的色散特性和非球面技术对系统进行单色像差和色差校正，减少系统的镜片数量。系统采用单镜片调焦设计来保证其在-40~60 ℃内清晰成像。对设计的系统进行了像质评价，结果表明，在空间频率60 lp/mm处，20 ℃时全视场内日盲紫外波段系统的MTF>0.37，可见光波段系统的MTF>0.35；在空间频率20 lp/mm处，全视场内长波红外波段系统的MTF>0.6，3个波段均能清晰成像，满足电晕检测的要求。